基于开关电源并联均流问题的分析

佘国君

摘 要：开关电源具有效率高、尺寸小等优点，在交转直供电系统中应用广泛。然而随着输出功率的持续增加，如果仅单个大功率开关电源供电，那么一旦出现故障就会带来不可预测的损失，因此，出现了使用几个小功率开关电源并联使用的新模式。本文就对其中的并联均流这一重要问题进行分析。

关键词：开关电源 并联运行 均流 分析

中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（a）-0034-02

开关电源体积小、效率高，在交转直供电系统中应用广泛。为弥补单个开关电源无法断电、功率不足等缺点，可以采用几个开关电源并联使用。并联均流供电技术可较好地实现高可靠性运行和大功率均匀供电，但要满足如下要求。

（1）整个直流供电系统的外部特性在线电压或者负载变化时要保持输出电压稳定。

（2）为减少均流失败的因素，各个供电模块之间要实现自动负载均流，简化外部的控制。

（3）一个供电模块发生故障时，其他模块要能提供充分的电流容量，以维持整个系统正常工作。

（4）实现好的负载均流瞬态响应；用低阻抗带宽均流母线连接所有功率模块。上述为附加要求。

开关电源并联使用的示意图和端口特性如图1、图2所示。

图1中的R1和R2为单个开关电源分别的输出总电阻，其中包含了输出端导线的电阻。在阻性负载情况下，输出电压和输出电流呈现线性关系，电压变化量和电流变化量的比值就是输出总电阻。由于存在内阻，结合图1和图2可列出两条支路的端口特性表达式分别为式（1）和（2）：

由式（5）（6）可知单个开关电源的输出电流与输出电阻，负载输出电压有关，故为了实现开关电源的并联均流运行需要关注下述两点。

（1）在开关电源的设计过程中，需要尽量采用参数一致的电子元件，PCB布局和走线均要做到对称，减少对外参数的不对称。

（2）可以采用反馈控制的方法，通过负反馈解决两路输出外特性差异，从而让两路参数实现一致。

1 开关电源并联均流原理与实现策略

为确保输出外特性的稳定，既要考虑采用并联拓扑后所带来的各路不对称差异，也要考虑采用负反馈控制回路消除各路差异，从而确保整个供电系统能够在一个允许的输出范围内安全运行。目前常用的并联均流技术有下垂均流法、主从均流法、平均电流自动均流法以及最大电流自动均流法等。

1.1 下垂均流法

如图3所示，下垂均流法的检测电路由电流放大器、电压放大器以及检测电阻组成。Rs为输出电流的采样电阻，Uf为电源模块的输出反馈电压。电压放大器充当比较器，Ue输出误差电压信号控制单元输出电流，从而实现对输出电流的均衡控制。由于参数一致性要求很高，故下垂均流法在低电流时均流效果不佳，但在大电流时能基本维持各个模块间电流的均衡供电。总之，下垂均流法会使得负载调整率降低，且受到参数一致性要求高的约束，故不适合在输出特性要求高的场合使用。

1.2 平均电流自动均流法

如图4所示，平均电流自动均流法需要外部控制器，并需要通过一条公共的均流母线接到所有电源模块上。该方式是通过反馈的方式进行控制，电压放大器的输入是两个参数的比较，通过电压比较得到误差电压Ue。均流控制器比较来自均流母线的电流信号与各个模块单元电流，并调整模块单元电压放大器的基准，实现负载的均衡电流分配。各个模块电流检测器经过电阻R驱动公共母线，如果各分路电阻不同，均流控制器将感知到等效负载电流不平衡，并调节基准电压，所有电阻连接点是平均负载电流参与的表现，因此，平均电流自动均流法是单模块负载电流与平均电流相比较，调节电压放大器的基准电压而实现均流。在没有均流的情况下电阻R上存在电压，当电阻上没有电压就表示已经实现了均流。虽然使用平均电流自动均流法可以实现精确的电流均流，但是当任何一个供电单元出現过电流的时候会出现母线电压降低。这时为了实现均流，各个模块的反馈控制都会降低电压来实现增加输出电流从而实现均流的目的。如果出现某单元短路则会出现输出电流急剧升高损坏负载的情况，故有必要设置过电流保护电路。

1.3 主从均流法

如图5所示，主从均流法是一种适用于有电流型控制的开关电源并联运行系统。主从均流控制系统采用双闭环控制系统，其中电流控制环是内环，电压控制环为外环。在设置控制的时候，首先选择一个主模块，其余作为从模块，主模块按照电压控制规律，从模块作为电流源。在图中所示的系统中，某模块设置为主模块，其余为从模块。在主模块部分，按电压规律控制反馈信号经过电压放大器产生误差信号，从模块的电压放大器工作在电压跟随器模式。主从均流技术有利于简化电流模式控制。由于误差电压信号Ue与负载电流成正比，如果各个模块输出电压设计相似，误差电压将使所有单元成为相同负载电流的电流源。这种方法能够实现负载电流均匀分配但无冗余，如果主模块出现故障损坏则整个并联供电系统将失效。

1.4 最大电流自动均流法

最大电流自动均流法是平均电流自动均流法和主从均流法的联合使用。最大电流模块与各模块电流进行比较，并适当调节电压基准，以修正负载电流分配的不均匀。其原理图只是把图4中的采样电阻R换为一个二极管，其余无差异。由于二极管的单向导电性，在出现不均流的时候，二极管的电流会出现一个突增，输出电流最大的模块会成为主模块。但是与主从均流法不同的是，主模块是不断变化的，任何输出电流最大的模块都可以是主模块，故某个模块失效不会引起系统瘫痪。目前畅销的欧姆龙S8VK-G系列开关电源在配置S8VK-R冗余模块后，能实现最大电流自动均流功能。

2 结语

开关电源使用广泛且功率要求不断提高，故采用输出并联均流技术对于开关电源的应用发展具有重要意义。各种开关电源的并联均流技术需要有选择性使用，从而不断提高供电系统的输出功率额度和稳定性。

参考文献

[1] 张占松.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1998.

[2] 李定宣.开关稳定电源设计与应用[M].2版.北京：中国电力出版社，2011.

[3] S8VK电池选型样本[Z].欧姆龙自动化中国有限公司.2014.endprint